我院张乐副教授在SKA国际数据竞赛SDC3中荣获第一名
近日，由平方公里阵列射电望远镜（SKA）天文台主办的第三届SKA科学数据竞赛第一阶段（SKA Science Data Challenge 3, SDC3a）已圆满结束。根据SKA天文台官方发布的排名结果，我院张乐副教授在本次竞赛中夺得总分第一的好成绩，赢得了SKA天文台的高度评价。
此次数据竞赛聚焦于SKA的重要科学方向之一——“宇宙再电离”。挑战赛采用了SKA低频阵列仿真图像数据，主要任务是从复杂的观测效应中精准扣除银河系和河外射电源的前景辐射，以提取宇宙再电离时期的信号功率谱。SDC3a自2023年3月启动，一直持续至10月，受到全球SKA科学团体的广泛关注。全球共有来自16个国家（包括美国、英国、法国、德国、加拿大、澳大利亚、日本等）的27支团队，总计超过200位科学家参与其中，通过遍布全球的12个计算节点支持了本次竞赛的顺利进行。
前十名团队的分数，其中张乐副教授（HIMALAYA）排名第一
在科学领域中，宇宙再电离历史被视为宇宙演化中最后一块未被观测到的拼图，具有极其重要的科学价值，也是天文学研究的最前沿领域。根据目前的理解，宇宙的历史可以分为几个不同的时代：
1.宇宙黑暗时代 (1100 < 红移 < 30)
2.宇宙黎明期 (30 < 红移 < 15)
3.再电离时期 (15 < 红移 < 6)
在宇宙大爆炸之后，宇宙膨胀并冷却，直到电离的氢重新聚合成氢原子。随后，由于背景的吸收，21 cm背景辐射呈现出吸收信号。随着大量星系的形成，第一批恒星开始加热周围环境，导致 21 厘米氢线的吸收线转变为发射线。然而，随着加热的持续，周围的气体被电离，使得这种辐射最终停止。由于目前只能大致确定这些重要事件发生的时间段，SKA 的一个主要科学目标就是对宇宙再电离时期进行直接测量，以展现早期宇宙的面貌，而这正是SDC3 的目的所在。
宇宙演化的历史回顾Credit: Robertson et al. (2010)
在天文学领域，探测宇宙再电离（EoR）信号是一项极大的挑战，主要挑战源于必须克服强烈的前景信号干扰、复杂的干涉阵仪器效应和观测效应。这些复杂性要求不仅需要高度精密的观测技术，还需要先进的数据处理方法。
在面对这一挑战时，天文学家首要的难题是来自银河系和外星系的前景信号的强烈干扰。理论上，EoR信号的温度量级约为毫卡尔文，而前景信号的平均幅度比预期的EoR信号高出约四个数量级。因此，要从这些强大的前景信号中准确提取微弱的EoR信号，必须使用精密的前景分离技术。
此外，仪器本身复杂的观测效应使得信号提取变得极为困难。仪器效应不仅增加了数据处理的难度和复杂性，也会导致传统的信号提取算法失效。因此，为了有效地应对这些挑战，科研人员需要不断改进观测技术，并采用先进的数据处理技术，以确保对宇宙再电离信号的准确且可靠的探测。
张乐副教授长期从事射电信号处理的算法研究。在这次竞赛中，张乐副教授创造性地提出了一项全新的数据处理算法，以万分之一的精度成功地从强大的银河系前景干扰中剔除出早期宇宙微弱的再电离信号。该算法巧妙地规避了复杂的仪器观测效应，突破了传统前景扣除算法的精度限制。此项研究也得到了国家重点研发和国家自然科学基金项目的支持。
此外，中国科学院上海天文台、清华大学—中国科学院国家天文台、之江实验室以及西安电子科技大学的科学团队也在本次竞赛中取得了佳绩，共同展示了中国在射电天文学研究领域的卓越实力。
SKA简介
全球范围内，中国政府代表科技部参与的重要国际科学工程——大规模综合孔径射电望远镜（SKA），即将成为一项具有革命性意义的科学设备。SKA集大视场、高灵敏度、高空间分辨率、高巡天速度、宽频段范围等多项卓越性能于一身。其频率范围广泛，从50MHz到20GHz以上，空间分辨率更可高出哈勃空间望远镜两个数量级，达到毫角秒级。
作为中国政府代表参与的国际大科学工程，SKA由全球多国合作建造和运行，将成为迄今为止地球上建造的规模最大的科学设施之一，为人类带来重大科学发现和突破。早在2019年，中国作为创始成员国正式签署了SKA天文台公约。该望远镜由2500面15米口径的碟型天线以及超过一百万个低频天线等单元组成，分布在3000公里的范围内。
SKA望远镜阵列示意图
此外，SKA望远镜有望发现银河系几乎所有的脉冲星，探测来自超大质量黑洞产生的引力波，重建宇宙磁场的结构，以及揭示宇宙磁场的源头。SKA还将有望揭开原始生命的摇篮，寻找宇宙深处的知音，推动我们对生命起源的理解。
SKA建成后，有望揭示宇宙中诞生的第一代天体，重新演绎宇宙从黑暗走向光明的历史进程。通过借助宇宙最丰富的元素"氢"作为信使，SKA将绘制出宇宙最大的三维结构图。这将为我们提供对宇宙演化和结构形成的深刻洞察，为天文学研究开辟新的视野。
SKA的建设与运行标志着中国在国际科学舞台上的重要地位，并为全球科学带来了中国力量。这一设备的前瞻性和卓越性能将为科学家们带来前所未有的研究机会，有望推动天文学和相关领域的科学发展。
